西昌市海河沿岸場地地震動分析

金 喆，李世龍，張大龍，凌 佩

(河北工程大學河北省資源勘測研究重點實驗室河北邯鄲056038)

場地地震動參數的合理確定是工程場地地震安全性評價的一個重要組成部分，關系到上部結構抗震設防的安全性。陳國興［1］對南京河西地區軟土場地地震動參數的確定進行了研究，呂悅軍［2］討論了煙臺海岸軟土場地對地震動參數的影響。本文采用一維土層等效線性化的方法對西昌市海河沿岸軟土場地進行地震動效應的討論分析。

1 區域地質概況

西昌市海河沿岸地區第四系覆蓋層厚度60 m左右，部分地段或深或淺，且基本上為全新世(Q4)沉積土，下部為沖積相，上部為沖積相夾漫灘相、沼澤相，主要為淤泥質粉土、淤泥質粘土、粉質粘土、粉土、礫砂石等，屬軟土場地。而第四紀覆蓋沉積層對地震波起過濾作用，為抗震不利地段。

2 場地地震動參數的計算

2.1 場地基巖地震動的輸入

該場地的基巖輸入地震動是根據地震危險性綜合概率方法得到的［3］。設計基準期為50年的不同超越概率水平的基巖水平加速度峰值和反應譜，采用強度非平穩隨機地震動數學模型，合成了具有場地地震動特征的基巖輸入地震動。

表1各鉆孔在不同概率水平下的平均加速度峰值和平均速度峰值Tab.1 Average peak acceleration and average speed peak of drilling in different probability levels cm/s2

表2特征周期的對比Tab.2 Comparison of characteristic periods

2.2 峰值加速度與峰值速度的計算

一維土層地震反應分析程序是目前工程上常用的等效線性化土層地震反應分析方法，等效線性化土層地震反應分析方法是在頻域線性波動分析方法的基礎上利用等效線性化手段來計算分析土層地震反應的方法［4］。當強烈地震波穿過土層時，一般認為土壤具有非線性，盡管土的非線性本構問題至今沒有圓滿解決，但理論上可將土層地震反應問題采用等效線性化的辦法加以解決［5］。表1為21個鉆孔點在不同超越概率63%、10%和3%的平均峰值加速度和峰值速度。

2.3 特征周期與平臺值的確定

特征周期在地震影響系數曲線中，是水平段與下降段交點的橫坐標，反應了地震震級、震源機制(包括震源深度)和震中距等方面的影響，同時也反映了場地的特性［6］。在抗震設計規范［7］中，設計特征周期 與場地類別有關，場地類別越高，越大，地震影響系數的平臺越寬［8］。

對于特征周期的確定常用方法有中國地震動參數區劃編制報告上對特征周期的求法［9］，美國FEMA － 450(2003)［10］法和概率法(97%)［11］，根據這三種方法求得的特征周期平均值見表2。

表3各超越概率下的平臺值與特征周期Tab.3 Platform values and characteristic periods of different exceeding probability

中國地震動參數區劃編制報告上特征周期的求法與概率法(97%)所得數據更符合我國的抗震設計規范［7］，所以本文的特征周期選取二者的平均值。而平臺值的確定，本文選取各標準反應譜在一定范圍內，特征周期包含各值的平均值，見表3。

2.4 設計反應譜的計算

該工程場地屬于濱海地區，淤泥層分布非常廣泛，土層的含水量、密度、軟硬程度等相差較大，尤其是軟土層的厚度相差甚多。對于大多數軟土層分布相對不是很厚的鉆孔點(2#、4#、5#)來說，加速度反應譜表現出的總體趨勢大體一致;對于個別軟土層厚度相對較大的鉆孔點(3#、16#、17#)，加速度反應譜表現出來的形勢與其它點差異很大。

設計反應譜不能直接用單個地震動記錄的反應譜，一般采取一組反應譜的統計平均值。而我國的抗震設計規范中規定，需要使用歸一化的動力放大系數譜，進而得到設計反應譜，所以這里將加速度反應譜歸一化，給出無量綱的動力放大系數譜［7］:

式中:β(T)－動力放大系數，亦稱標準反應譜;Sa(T)－地震動加速度反應譜;a－地震動峰值加速度。各超越概率下的標準反應譜見圖1。

我國現行的《建筑抗震設計規范(GB50011－2001)》給出的設計反應譜，用地震影響系數曲線表示。地震影響系數公式如下:

式中:κ－地震系數;g－為重力加速度。

地震影響系數a(T)曲線，它由四段組成:

①直線上升段:自振周期小于0.1s的區段為直線上升段，表示為［0.45+10(η2－0.45)T］amax;

②水平段:周期自0.1s至特征周期Tg區段為水平段，應取最大值η2amax;

③曲線下降段:自特征周期Tg至5倍特征周期Tg區段為曲線下降段，衰減指數為0.9，表示為

④直線下降段:自5倍特征周期Tg至6.0s區段為直線下降段，表達式為［η20.2γ－η1(T－5Tg)］amax。

式中，amax－地震動影響系數最大值;η2－結構阻尼調整系數。

將特征周期和平臺值代入地震影響系數a(T)的四段曲線中，得到圖2所示的設計反應譜。此結果可作為海河沿岸地區工程抗震設計的參考數據。

3 結果與分析

3.1 軟土場地對地震動峰值加速度的影響

地震時工程場地的地震動特征與場地上覆土層有很大關系，地震波由下部基巖傳到土層后，經土層的濾波、放大作用，特定頻率范圍內的地震動將會得到增強［12－13］。

由于該工程場地松軟砂層和淤泥層的普遍存在，地面土層地震反應的加速度峰值和速度峰值都很低，其中 3#、16#、17#和 18#的加速度峰值和速度峰值明顯低于其他各鉆孔點，因為其土層結構都以淤泥質粉土、粉土、粉質粘土為主，3#的軟土層在50 m左右，16#和17#的軟土層在65 m左右，而18#的軟土層甚至高達70 m。這些軟土沉積層厚度相對較大，當深部傳來的剪切波速通過它向地面傳播時就會發生多次反射，波的疊加而增強，使長周期的波尤為卓越［14－15］。當地震波的震動周期與地表巖石土體的自振周期相同時，由于共振作用而使地表振動加強［16］，所以有時即使是較小的基巖地震動，在經過厚的沉積層到達地面后，也可以使自振周期較長的高層建筑物遭受極大的破壞。

3.2 軟土場地對地震動反應譜的影響

反應譜的形狀十分重要，其“胖瘦”與特征周期(即拐點周期)有關。同時地表(或近地表)的地震動又是震源經介質(包括巖石、土層)衰減傳播而至［17］。

西昌市海河沿岸場地在各超越概率下的加速度反應譜頻帶都很寬，特別是在超越概率水平較小、基巖地震動強度較大時，這是由于該地區的軟土層分布很廣泛且各控制點都具有一定厚度的軟土層。當超越概率較小，輸入的基巖地震動較大時，可清楚地看出其反應譜要比超越概率較大，輸入的基巖地震動較小時的反應譜寬。但是不同的厚度對加速度反應譜的影響也不同，同一超越概率下，軟土層厚度相對較小的9#，反應譜頻帶的寬度明顯小于軟土層厚度相對較大的16#和17#。這主要是由于土層的非線性特征所引起的，例如3#、16#、17#的反應譜明顯不同于其他控制點，因為特征點的地層都屬于松軟地層，其含水量豐富、壓縮性高、密度相對較小，這些因素都影響土的非線性。

當計算控制點位于富水地區，一般土層較軟，其剪切波速較低，土層地震反應結果顯示地面加速度峰值較低、反應譜頻帶較寬;當計算控制點位于相對貧水的地區如山前地帶，一般土層相對較硬，其剪切波速較高，土層地震反應結果顯示地面加速度峰值較高、反應譜頻帶也相對較窄。

4 結論

海河沿岸場地對基巖地震動的影響效果受土層軟硬程度的影響，軟土場地對地震動有明顯的放大作用，但受土層非線性的影響，放大效應逐漸減小。場地中個別地區上覆土層較厚、土質松軟，應對其地震動效應予以充分重視。

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